【摘要】：化學(xué)推進系統(tǒng)在航天器中應(yīng)用最為廣泛,金屬膜片貯箱作為其中的重要組成部分,實現(xiàn)了推進劑的存儲和管理。貯箱能否實現(xiàn)推進劑有效的管理與控制,則主要取決于貯箱中金屬膜片設(shè)計的優(yōu)劣。金屬膜片的設(shè)計主要涉及材料屬性、膜片構(gòu)型、幾何參數(shù)以及制造工藝4個方面的因素,其中,幾何參數(shù)對金屬膜片翻轉(zhuǎn)性能的影響較大。貯箱金屬膜片翻轉(zhuǎn)性能的表征指標(biāo)主要有6個:膜片重量、貯箱排空效率、翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、翻轉(zhuǎn)難易程度、翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)強度和頂點偏心程度。當(dāng)前大部分的研究都是使用正交實驗設(shè)計和極差分析來針對金屬膜片的某些翻轉(zhuǎn)性能進行影響因素分析和選型設(shè)計,而對膜片進行明確優(yōu)化設(shè)計的研究較少;且對金屬膜片的優(yōu)化分析也都是針對單個目標(biāo)進行的。工程上不同工況下,對金屬膜片的翻轉(zhuǎn)性能的要求是不一樣的,而且指標(biāo)往往是非單一的。因而,對貯箱金屬膜片進行多目標(biāo)優(yōu)化不僅是有意義的,也是不得不面對的問題。本文以邊緣翻轉(zhuǎn)型金屬膜片貯箱為對象,主要進行了以下幾個方面的研究:(1)貯箱排空效率可以通過金屬膜片翻轉(zhuǎn)容積來表征,在貯箱方案設(shè)計階段需要快速且相對準(zhǔn)確地對其進行預(yù)估。針對現(xiàn)有估算翻轉(zhuǎn)容積方法的缺點,提出了快速求解貯箱金屬膜片精確翻轉(zhuǎn)容積的二維模型仿真計算方法。(2)對環(huán)向加筋的錐柱形金屬膜片進行了參數(shù)化建模,通過實驗設(shè)計和極差分析方法得到了幾何參數(shù)對每種翻轉(zhuǎn)性能的影響力大小,并找到了關(guān)鍵影響參數(shù),從而為確定多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計變量提供理論依據(jù)。(3)根據(jù)確定的設(shè)計變量,以膜片的翻轉(zhuǎn)性能指標(biāo)為響應(yīng),設(shè)計了100組正交實驗,依據(jù)仿真計算結(jié)果訓(xùn)練得到了金屬膜片翻轉(zhuǎn)的近似模型,并進行了預(yù)測誤差分析,結(jié)果表明構(gòu)建的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型滿足精度要求。(4)提出金屬膜片多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法,并進行算例分析,對比分析優(yōu)化前后的金屬膜片翻轉(zhuǎn)性能,結(jié)果表明優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)性能更優(yōu),實現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化的目的,證明了該方法的有效性與可行性。(5)貯箱的燃氣擠壓排液過程中存在著熱量傳遞,而推進劑的溫度必須保持在合適的范圍內(nèi),顯然,金屬膜片的防熱層厚度是重要的影響參數(shù)。在貯箱多學(xué)科分析的基礎(chǔ)上,以防熱層厚度為設(shè)計變量,對其防熱效果進行了優(yōu)化設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V421.33
【圖文】：

需的力和力矩，其重要性毋庸置疑。航天器上應(yīng)用的基本上都是主動控制式推進系統(tǒng)，可以分為化學(xué)推進、電推進和新概念推進三種類型。其中化學(xué)推進系統(tǒng)應(yīng)用最早，目前已有廣泛的研究和發(fā)展，如圖1-1所示，其工作過程大致為：高壓氣體經(jīng)過減壓后進入貯箱內(nèi)，并擠壓貯箱膜片，在內(nèi)外壓差作用下，膜片產(chǎn)生較大變形，開始翻轉(zhuǎn)，同時將貯箱內(nèi)的推進劑擠入輸送管路，經(jīng)過過濾元件之后進入推力裝置，最終產(chǎn)生控制力，執(zhí)行航天器的控制任務(wù)。由此可見，推進劑貯箱主要實現(xiàn)了推進劑的存儲和管理，是航天器推進系統(tǒng)的重要組成部分。顯然，貯箱能否實現(xiàn)推進劑有效的管理與控制，則主要取決于貯箱膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣。高壓氣瓶減壓器金屬膜片貯箱隔膜閥過濾器推力裝置金屬膜片h推進劑金屬膜片高壓氣體推進劑貯箱圓弧段錐柱段預(yù)彎邊段θ圖1-1 推進系統(tǒng)與金屬膜片貯箱Fig.1-1 Propulsion system and metal diaphragm tank推進劑貯箱的結(jié)構(gòu)類型多種多樣，金屬膜片貯箱由于其具有重量輕、壽命長、可靠性高、相容性好、排放效率高、抗?jié)B透性強

圖 2-2 最大外圓估算法求解容積f turnover volume by maximum outer circle個方面的原因：一是對于半球形差等因素，將導(dǎo)致最終得到的膜片，在翻轉(zhuǎn)之后得到的真實型到的容積無法考慮膜片厚度、材，顯然這是不合理的。因此需要翻轉(zhuǎn)容積的方法，使得在盡可能提短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。解方法對金屬膜片的有效翻轉(zhuǎn)容積進行有效翻轉(zhuǎn)容積的方法主要有兩前一種方法計算準(zhǔn)確，但耗時長適用于半球形膜片�？紤]到設(shè)計

表 2-1 金屬膜片幾何參數(shù)Table 2-1 Geometric parameters of metal diaphragm幾何參數(shù) 符號 備注預(yù)彎邊半徑 R0膜片為變厚度，分 3個區(qū)域?qū)訄A弧段半徑 R1圓心高度 Y1固定邊赤道圓直徑 D0膜片厚度 t1/ t2/ t3不同厚度區(qū)域?qū)?yīng)高度 H1/ H2/ H3以設(shè)計翻轉(zhuǎn)容積為 9L 的金屬膜片貯箱為例建立二維模型進行仿真分析，整個分析過程僅需 0.77 分鐘，翻轉(zhuǎn)過程如圖 2-6 所示。采用同樣的幾何尺寸（母線相同）、材料屬性和求解方法對全尺寸的三維膜片進行仿真分析，三維膜片翻轉(zhuǎn)過程的模型如圖 2-7 所示，整個分析過程耗時 302.1 分鐘。二維膜片與三維膜片的翻轉(zhuǎn)行為基本一致，均從預(yù)彎邊處開始翻轉(zhuǎn)，并向中心擴展，直至翻轉(zhuǎn)完成。其中，Inc 為翻轉(zhuǎn)過程中的載荷步，二維膜片在第 364 步完成翻轉(zhuǎn)，三維膜片在第 314 步完成翻轉(zhuǎn)。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2802074